物理群星
1929 热学与统计

西拉德引擎与信息的热力学代价

The Szilard Engine and the Thermodynamic Cost of Information

麦克斯韦的小妖只靠「看」和「开门」就能让热从冷处流向热处;西拉德把它削成一个分子的热机,指出获取信息必须付出熵,兰道尔与本内特后来把账单挪到「擦除记忆」上——擦掉一比特至少放出 kTln⁡2kT\ln 2 的热,2010 年代的单粒子实验把这笔账量了出来。

当时的困境

1867 年 12 月,麦克斯韦在给泰特的信里设想了一个小东西;四年后,他把它写进教科书《热的理论》的最后一节,标题叫「第二定律的局限」。一只装满同温空气的容器被隔板分成 A、B 两半,板上有个小孔,孔边守着一个「官能敏锐到能跟上每一个分子」、却和我们一样有限的存在。它只放快分子从 A 到 B、只放慢分子从 B 到 A,于是——麦克斯韦写道——「不必花费功」,B 热起来,A 冷下去,与第二定律相矛盾。

麦克斯韦的用意是说明第二定律是统计的,只在我们「只能成团地处理物体」时才成立。1874 年开尔文在《自然》上把这个存在叫作「妖」,名字就此留下。

可这个例子留下了一个比「统计」更尖锐的问题。妖不推活塞、不烧燃料,它唯一做的事是知道分子往哪边飞,然后照这份知识开关小门。如果开关门的功可以做得任意小,那第二定律的破绽就不在门上,而在「知道」这件事上。知道要不要付钱?付什么?

二十世纪初的回答大多是在门上找毛病。1912 年斯莫卢霍夫斯基指出,一扇轻到能被单个分子推开的活门,自己也在热涨落里乱跳,开关不再听妖的指挥,自动的「单向阀」因此造不成。这堵住了机械妖,却没有碰到真正的问题:一个会看、会记、会决定的妖,到底哪里违法?

洞见时刻

西拉德的办法是把问题削到最简。1929 年他在《物理学杂志》上发表了那篇 1927 年交给柏林大学的讲师资格论文,里面的机器只有一个分子:它和温度为 TT 的热源接触,在容器里乱撞。从中间插入隔板,看它在哪一边,然后把隔板当活塞,让这个分子推着它等温膨胀回整个容器。每一轮从热源取出的功是

W=kTln⁡2W = kT\ln 2

插板几乎不费功,膨胀是准静态的,一轮之后机器回到原状。唯一剩下的环节是「看一眼」并把结果记住,好决定活塞该往哪边接负载。如果这一步是免费的,这就是一台从单一热源不断取功的第二类永动机。

西拉德的结论是:测量必付熵。他把「妖」换成一个有记忆变量的物理装置,把测量写成被测系统与这个变量之间建立关联,然后证明:只要测量两种结果伴随的熵产生 S1S_1、S2S_2 满足 e−S1/k+e−S2/k≤1e^{-S_1/k}+e^{-S_2/k}\le 1,整个循环的总熵就不减;结果对称时,每次至少要付 kln⁡2k\ln 2。这恰好抵消了膨胀从热源吸走的那份熵 kln⁡2k\ln 2。那时离香农的信息论还有十九年,西拉德已经给一个二选一的答案标出了热力学价格。

西拉德本人把代价放在测量上,但他的论文里其实已有「记忆」的读写与复位;后来的读者对他究竟把账记在哪一步,解读并不一致。

布里渊:看见需要光。 1951 年布里渊给「测量必付熵」补了一个具体机制。关在等温容器里的妖身处黑体辐射之中,周围一片均匀的热光,什么也看不清;要看见分子,就得用一盏比环境更热的灯,打出去的光子能量 hνh\nu 必须明显大于 kTkT,才能从背景里被分辨出来。光子被吸收时产生的熵,总是超过妖所得信息折合的熵。布里渊由此提出「负熵原理」:信息是负熵,获取信息就要消耗负熵。这个解释流行了二三十年,进了教科书。

它的不足在于只证明了用光看要付钱。换一种测量方式,这笔账还成立吗?布里渊没有给出不依赖具体机制的论证。

兰道尔:代价在擦除。 1961 年,IBM 的兰道尔从另一头入手:不问妖,问计算机。他注意到,有些逻辑操作是「多对一」的——比如把一位存储器不管原来是 0 还是 1 一律置成 1。这种操作丢掉了信息,逻辑上不可逆;而物理定律在微观上可逆,丢掉的那份区分只能以熵的形式转移到环境里。于是在温度 TT 的环境中,擦除一比特至少要放出

Q≥kTln⁡2Q \ge kT\ln 2

的热。这就是兰道尔原理。按室温 300 K 算,kTln⁡2kT\ln 2 约为 2.9×10−212.9\times10^{-21} 焦,即 0.018 电子伏特。

本内特:测量可以不花钱。 兰道尔在 IBM 的同事本内特把这条线索推到了妖身上。1973 年他证明,任何计算原则上都能用逻辑可逆的步骤完成,不必擦除任何东西。1982 年他在一篇综述里转回麦克斯韦妖:测量本质上是把分子的位置复制到一个事先清空的存储位上,而复制到空白位上是可逆操作,原则上可以不耗散。真正躲不开的是循环的最后一步——妖要进行下一轮,就得把记着上一轮结果的那一位清掉,这一擦正好付出 kTln⁡2kT\ln 2,与西拉德引擎取出的功两相抵消。据本内特所述,奥利弗·彭罗斯 1970 年在一部统计力学著作里已独立得出过相近的看法。

从此,这只妖的标准「驱魔」说法变成了:代价不在看,而在忘。

涟漪效应

实验把这笔账量了出来。 兰道尔的 kTln⁡2kT\ln 2 在室温下太小,直到能操纵单个胶体粒子和单个电子之后,才有人量得到它。

2010 年,鸟谷部祥一、沙川贵大、上田正仁等人做了一台「信息热机」:两颗直径 287 纳米的聚苯乙烯小球连成的二聚体,一端钉在玻璃上,靠布朗运动来回转动;电极加上交变电场,给它造出一道倾斜的周期势,像一段螺旋楼梯,粒子平时只会往下滚。他们实时测粒子的角度,一旦发现它被热涨落抛上了一级台阶,就立刻切换势场,把退路堵住。粒子于是一级级往上爬,获得的自由能比外界对它做的功还多——多出来的那部分来自测量得到的信息,转换效率约 28%。这台机器验证的是沙川与上田 2008 年推广的第二定律:有反馈时,能取出的功最多可以超出自由能减少量 kTkT 乘以所得的互信息 II,

Wext≤−ΔF+kT IW_{\text{ext}} \le -\Delta F + kT\,I

2012 年,里昂高等师范学校的贝吕(Antoine Bérut)与 Ciliberto、Lutz 等人直接量了擦除。一颗直径 2 微米的二氧化硅小球被激光镊子困在双阱里,左阱记 0、右阱记 1;擦除时先把势垒从 8kT8kT 以上降到 2.2kT2.2kT,再施一个推力把小球赶进指定的阱,最后升回势垒。擦除用时越长,平均耗散的热越低,长时间极限下趋近 kTln⁡2kT\ln 2,偏离量大致与擦除时间成反比。2014 年 Jun、Gavrilov 与 Bechhoefer 用反馈阱做了精度更高的复核。同年,芬兰阿尔托大学的 Koski、Pekola 等人用一个单电子盒在约 0.1 K 下造出了真正的西拉德引擎,信息记在多出来的那个电子落在哪个岛上,每轮平均取出约 0.75 kTln⁡20.75\,kT\ln 2 的功。

信息热力学成了一门学科。 把测量、反馈、记忆都当作热力学过程来计账,今天是非平衡统计物理的一个活跃分支,研究对象从分子马达到细胞的感知与纠错。

计算机有了一条物理下限。 兰道尔原理给每一次不可逆的比特擦除规定了最低热耗;本内特的可逆计算说明,这条下限原则上可以靠不擦除来绕开。可逆逻辑也成了量子计算的基本约定——量子门在理想情况下全都是可逆的。今天芯片每次逻辑操作的实际能耗仍远在兰道尔下限之上,但随着器件缩小,这条下限越来越常被当作远处的参照。

争议并没有结束。 代价究竟在测量还是在擦除,两方都有人。

  • 支持兰道尔—本内特一方的主要理由是:已有具体的可逆测量模型,而擦除的 kTln⁡2kT\ln 2 已在多个系统里被测到。本内特 2003 年撰文回应批评,认为兰道尔原理是第二定律用于信息处理时的直接推论。
  • 科学哲学家厄尔曼与诺顿 1998–1999 年的长文认为,这类「驱魔」论证有一个两难:若妖本身就是一个普通的热力学系统,第二定律已经管住了它,用不着新原理;若不是,信息论的论证也证明不了它不能违法。据诺顿 2005 年与 2011 年的文章,兰道尔原理的通行推导混淆了「逻辑状态的集合」与「热力学系综」,并未得到一般证明;他还论证,分子尺度上的涨落会破坏本内特所依赖的那种可逆测量,所以测量的代价不能简单地算作零。Ladyman 与 Robertson 2013 年撰文为兰道尔辩护,诺顿随即作答。

实验方面也有两种读法:据实验者的表述,贝吕等人的结果「验证」了兰道尔原理;批评者则认为,这些实验量到的是某个具体擦除过程的热耗趋近 kTln⁡2kT\ln 2,与普通统计力学的预期一致,不足以裁决原理在一般意义上是否成立。

如果没有它

麦克斯韦妖会一直停在「第二定律只是统计的」这个结论上,而「知道」这件事是否有物理后果,就只能是哲学问题。西拉德用一个分子把它变成了一道可以计算的热力学题,布里渊、兰道尔、本内特接着改了三次答案,最后由单个小球和单个电子交卷。

没有这条线,「信息是物理的」——兰道尔 1991 年一篇文章的标题——就少了它最硬的一块论据;计算的能耗讨论没有下限可以参照,信息热力学也不会成为今天这样一门可以做实验的学问。

出处

正文所据的原始文献与可靠二手材料。带链接的可直接查看原文。

  1. 1.麦克斯韦《热的理论》(伦敦:Longmans,1871)末章「第二定律的局限」——引文据 1899 年新版第 338–339 页
  2. 2.开尔文(W. Thomson)《能量耗散的动力学理论》,《自然》第 9 卷第 441–444 页(1874)——「妖」这个叫法
  3. 3.西拉德《论智能生物干预使热力学系统熵减少》,《物理学杂志》第 53 卷第 840–856 页(1929)
  4. 4.布里渊《麦克斯韦妖不能运作:信息与熵(一)》,《应用物理杂志》第 22 卷第 334–337 页(1951)
  5. 5.兰道尔《计算过程中的不可逆性与热产生》,《IBM 研究与发展杂志》第 5 卷第 183–191 页(1961)
  6. 6.本内特《计算的逻辑可逆性》,《IBM 研究与发展杂志》第 17 卷第 525–532 页(1973)
  7. 7.本内特《计算的热力学——综述》,《国际理论物理杂志》第 21 卷第 905–940 页(1982)——测量可逆、代价在擦除
  8. 8.厄尔曼(J. Earman)、诺顿(J. D. Norton)《驱魔人十四:麦克斯韦妖之怒》第一部分,《现代物理学史与哲学研究》第 29 卷第 435–471 页(1998)
  9. 9.厄尔曼、诺顿《驱魔人十四:麦克斯韦妖之怒》第二部分「从西拉德到兰道尔及以后」,同刊第 30 卷第 1–40 页(1999)
  10. 10.本内特《关于兰道尔原理、可逆计算与麦克斯韦妖的笔记》,《现代物理学史与哲学研究》第 34 卷第 501–510 页(2003)
  11. 11.诺顿《食莲者:兰道尔原理与麦克斯韦妖的回归》,《现代物理学史与哲学研究》第 36 卷第 375–411 页(2005)
  12. 12.诺顿《等待兰道尔》,《现代物理学史与哲学研究》第 42 卷第 184–198 页(2011)
  13. 13.Ladyman、Robertson《为兰道尔辩护:答诺顿》,《现代物理学史与哲学研究》第 44 卷第 263–271 页(2013)
  14. 14.兰道尔《信息是物理的》,《今日物理》第 44 卷第 5 期第 23–29 页(1991)
  15. 15.沙川贵大、上田正仁《带离散量子反馈控制的热力学第二定律》,《物理评论快报》第 100 卷 080403(2008)
  16. 16.鸟谷部祥一、沙川贵大、上田正仁等《信息—能量转换的实验演示与广义贾尔津斯基等式的验证》,《自然·物理》第 6 卷第 988–992 页(2010)——效率 28% 见其预印本 arXiv:1009.5287
  17. 17.贝吕(A. Bérut)、Arakelyan、Petrosyan、Ciliberto、Dillenschneider、Lutz《验证联结信息与热力学的兰道尔原理》,《自然》第 483 卷第 187–189 页(2012)
  18. 18.Jun、Gavrilov、Bechhoefer《反馈阱中对兰道尔原理的高精度检验》,《物理评论快报》第 113 卷 190601(2014)
  19. 19.Koski、Maisi、Pekola、Averin《用单个电子实现西拉德引擎》,《美国国家科学院院刊》第 111 卷第 13786–13789 页(2014)